Linux - 进程切换

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🔍系列专栏：C++面向对象（类和对象篇）

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进程切换 && 进程调渡

一、补充概念-竞争、独立、并行、并发

1.1 独立（Independent）

• 定义：指多个任务（进程或线程）之间没有任何关联，互不影响。一个任务的执行既不依赖另一个任务的输出，也不会共享任何资源（如数据、文件、内存等）。
• 核心：无共享，无交互。
• Linux 示例：
  • 你电脑上的文本编辑器进程和后台播放音乐的进程，通常是独立的。它们各自处理自己的任务，一个崩溃了通常不会直接影响另一个。
  • 两个毫不相干的 shell 命令，例如 ls /home 和 date，它们就是独立的。
• 比喻：两条平行的铁轨上行驶的火车，永不相交，互不干扰。

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1.2 并发（Concurrent）

• 定义：指系统具有处理多个任务的能力。这些任务在时间上是重叠的，即在一个时间段内，有多个任务都在推进。它不指定这些任务是否同时运行。
• 核心：重叠的时间段，有能力处理多任务。这是逻辑上的概念。
• 与硬件的联系：并发可以在单核 CPU 上实现。操作系统通过快速的时间片轮转，在极短的时间间隔内切换执行不同的任务，从而让用户感觉所有任务在同时进行。
• Linux 示例：
  • 在单核 CPU 的电脑上，你一边用浏览器上网，一边用播放器听音乐。CPU 快速地在两个进程间切换，宏观上看起来它们是同时运行的，这就是并发。
  • 一个单核服务器同时处理多个来自客户端的网络请求。
• 比喻：一个厨师同时照看一口锅里炖的汤、一口锅里炒的菜。他需要交替进行（搅拌汤、翻炒菜），在一顿饭的时间段内，两件事都在推进。

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1.3 并行（Parallel）

• 定义：指系统同时执行多个任务。在同一个时刻，有多个任务真正地在同时运行。
• 核心：同一时刻，真正同时执行。这是物理上的概念。
• 与硬件的联系：并行必须在多核 CPU、多个 CPU 或多台机器上才能实现。每个核心可以独立执行一个任务。
• Linux 示例：
  • 在多核 CPU 上，内核可以将不同的进程或线程调度到不同的核心上真正同时运行。
  • 使用 make -j4 编译大型项目，-j4 选项告诉 make 工具启动 4 个编译任务，它们可以在多个核心上并行运行，极大加快编译速度。
• 比喻：多位厨师在同一厨房的不同灶台上同时做不同的菜。

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1.4并发 vs. 并行 的关键区别

这是一个非常经典的面试题。

• 并发是关于代码结构的，并行是关于执行的。
• 并发是问题，并行是解决方案。我们编写并发程序（如多线程程序）来解决问题，而硬件（多核CPU）提供并行执行的能力来加速这个并发程序。
• 并发是逻辑上的同时发生，并行是物理上的同时发生。
• 并发的程序不一定能并行，但能并行的程序一定是并发的。一个设计不良的并发程序可能因为资源竞争而无法有效利用多核。

一句话总结：并发是“同时”管理很多事情，并行是“同时”做很多事情；并行在任意 “时刻” 同时运行多个进程，并发在某 “时间段” 使多个进程同时推进

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1.5 竞争（Race Condition）

• 定义：这是一种错误状态，指多个并发/并行执行的进程或线程访问和操作共享资源（如全局变量、文件、内存） 时，最终的结果依赖于它们执行的具体时序。由于时序是不可预测的，导致程序的行为变得不确定，可能产生非预期的、错误的结果。

• 核心：结果的不确定性。这是一个需要避免的 Bug。

• 产生条件：

  1. 存在共享资源（数据）。
  2. 存在多个执行流（并发/并行）访问该资源。
  3. 至少有一个执行流是写操作。
  4. 缺乏同步机制（如锁、信号量）来保护访问顺序。

• Linux 示例：

  // 全局共享变量
  int counter = 0;// 线程函数
  void *increment(void *arg) {for (int i = 0; i < 100000; i++) {counter++; // 这不是原子操作！}return NULL;
  }int main() {pthread_t thread1, thread2;pthread_create(&thread1, NULL, increment, NULL);pthread_create(&thread2, NULL, increment, NULL);pthread_join(thread1, NULL);pthread_join(thread2, NULL);printf("Final counter value: %d\n", counter); // 很可能不是 200000return 0;
  }
  

  counter++ 看起来是一条语句，但在汇编层面是“读-改-写”三步。两个线程可能同时读到了相同的值，然后加一，再写回，导致其中一次增加被覆盖。最终结果是一个随机数，这就是竞争。

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1.6 关系总结与图示

特性	独立	并发	并行	竞争
核心思想	互不干扰	交替推进**（时间段）**	同时执行**（时间点）**	时序错误
依赖硬件	无	单核即可	必须多核	无（但并行会加剧）
共享资源	无	可能有	可能有	必须有
是否期望	是（简化设计）	是（提高效率）	是（提高性能）	否（必须避免）

它们之间的关系可以这样看：

1. 你编写了一个 并发 的程序（多线程）来解决一个问题，期望它能利用多核特性 并行 执行以提高速度。
2. 如果这些并发/并行的线程访问了 非独立 的（即共享的）数据，并且你没有做好同步保护，那么就会产生 竞争 条件，导致程序出错。
3. 为了让并发程序正确运行，你必须通过同步机制（如互斥锁）将那些访问共享资源的 临界区 序列化，使其在逻辑上变回“独立”的片段，从而消除竞争。

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• **竞争性：**系统进程数⽬众多，而 CPU资源只有少量，甚⾄1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为 了⾼效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级，权限…

• **独立性：**多进程运⾏，需要独享各种资源，多进程运⾏期间互不⼲扰

• **并行：**多个进程在多个 CPU下分别，同时进⾏运⾏，这称之为并⾏

• **并发：多个进程在单 CPU下采⽤“进程切换”**的方式，在⼀段时间之内，让多个进程都得以推进，这种模式称之为并发

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二、进程切换

2.1 什么是进程切换？如何理解？

核心定义：
进程切换（Process Switching），也称为上下文切换（Context Switching），是指操作系统将CPU从一个正在运行的进程夺回，并分配给另一个就绪的进程，同时保存和恢复相应进程的状态的过程。

通俗理解：
想象一下你是一个学生**（CPU），正在做数学作业（进程A）。突然，你妈妈（OS）**说：“别做数学了，先来吃饭！（中断）” 于是你（CPU）需要：

1. 停下来：放下数学笔。
2. 做标记：用一个书签（保存上下文）精确地记录下你做到哪一题、哪一步，草稿纸上的关键数字是什么。（记录/保留当前痕迹）
3. 换任务：起身去餐桌吃饭（进程B）。
4. 吃完饭回来：你根据书签上的记录（恢复上下文），找到刚才的步骤和数字，继续做数学题。

这个过程就是“进程切换”。操作系统就是那个妈妈，它负责在你（CPU）不同的任务（进程）之间进行调度，而书签就是进程的上下文。（作业中的内容 — 进程运行时的临时数据，CPU寄存器中的内容）

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为什么需要它？

• 实现多任务：让单个CPU也能“同时”运行多个程序（如边听歌边上网），靠的就是在进程间极速切换（每秒上百次），人类无法感知。
• 提高CPU利用率：当一个进程等待慢速操作时（如读磁盘、等网络），CPU不能闲着，立刻切换到其他可以运行的进程。

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A. 死循环如何运行？

• a. 一旦进程占有CPU，会一直把自己的代码跑完吗？不会！

（除非进程的代码数据短）OS 会为每一个进程分配 时间片（给进程1ms时间让进程运行，若进程未运行结束，就将进程从 CPU上剥/抽离，使进程在运行队列中重新排队）。因此，任何进程对于 CPU资源的运用都是临时性的，这样就不会出现一个进程死占 CPU的情况

• b. 死循环进程不会打死系统，因为其不会一直都占有 CPU！

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B. CPU，寄存器

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2.2 进程切换如何来完成？

进程切换是操作系统内核最核心的工作之一，它完全在内核态下执行。整个过程可以分解为以下几个关键步骤，主要由 schedule() 函数实现：

触发时机（妈妈喊你吃饭的原因）：

• 主动让出：进程自己调用 sleep(), exit() 等系统调用。
• 时钟中断：一个硬件定时器每隔几毫秒发出一次中断，强制夺回CPU控制权，让调度器有机会决定是否切换。这是最常见的原因。
• 等待资源：进程需要等待磁盘I/O、网络包、锁等资源，自己进入阻塞状态。
• 被更高优先级进程抢占：一个更高优先级的进程变为就绪状态。

切换步骤（妈妈让你换任务的具体动作）：

1. 中断当前进程：时钟中断或系统调用触发，CPU硬件自动将用户态的上下文（如程序计数器PC、栈指针SP等）保存到当前进程的内核栈中，并切换到内核态。
2. 执行内核中断处理程序：CPU开始执行操作系统预设的中断处理代码。
3. 决定是否切换：中断处理程序调用调度器 schedule()。调度器检查是否需要切换（例如当前进程的时间片用完了）。
4. 保存当前进程上下文：如果需要切换，内核将当前进程的完整硬件上下文（所有CPU寄存器的值：通用寄存器、状态寄存器、程序计数器等）保存到它的进程控制块（PCB） 中。
   • PCB（task_struct）：Linux中每个进程都有一个巨大的数据结构（struct task_struct），它是进程的“身份证”和“病历本”，记录了一切信息，其中就包括保存上下文的字段。
5. 选择下一个进程：调度器从就绪队列中，根据某种算法（如CFS完全公平调度器）选出下一个最值得运行的进程。
6. 切换地址空间：切换 CR3寄存器（在x86架构上）。这个寄存器指向当前进程的页目录，切换它就等于切换了整个虚拟内存空间。这是进程隔离的关键，进程A无法访问进程B的内存。
7. 恢复下一个进程的上下文：内核将下一个进程的PCB中保存的寄存器值全部加载到CPU的各个寄存器中。这包括恢复它的程序计数器（PC），这意味着CPU接下来要执行的指令地址就变成了这个新进程的。
8. 切换内核栈：将当前 CPU的栈指针（SP）指向新进程的内核栈。因为每个进程都有自己的内核栈，用于执行系统调用和中断处理。
9. 返回用户态：上下文恢复完成后，中断处理程序执行返回指令。CPU硬件自动从新进程的内核栈中恢复用户态的上下文（PC, SP等），并切换到用户态。
10. 开始运行新进程：由于PC寄存器指向的是新进程被中断时的指令地址，CPU便开始执行新进程，仿佛它从未停止过。

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所以只要是在CPU内的寄存器（用户级别）我们可以观测到的寄存器都需要被保存

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步骤	类比（学生做作业）	技术对应
触发	妈妈喊“先别做了，来吃饭”	时钟中断或系统调用
保存现场	用书签标记做到哪一题、哪一步	将 CPU寄存器保存到旧进程的 PCB
选择下一个	妈妈决定让你去吃饭	调度器从就绪队列选新进程
恢复现场	吃完饭回来，根据书签继续做题	将新进程 PCB 中的状态加载回 CPU寄存器
开始工作	继续演算数学题	CPU从保存的程序计数器（PC） 地址开始执行

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记住核心：进程切换的本质是 保存状态 -> 换人 -> (记录上一次痕迹)恢复状态。这个过程由硬件中断触发，由操作系统内核借助 进程控制块（PCB） 精密完成，是实现一切多任务魔力的基石

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